Measurement of High-Energy Muon Neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory

Rädel, Leif; Erdmann, Martin; Wiebusch, Christopher

doi:HT019525496

Measurement of High-Energy Muon Neutrinos with the IceCube Neutrino Observatory = Messung Hochenergetischer Myonneutrinos mit dem IceCube Neutrino Observatorium

Rädel, Leif^RWTH*

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Leif Christian Rädel

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xv, 191 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wiebusch, Christopher (Thesis advisor)^RWTH* ; Erdmann, Martin (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-11-06

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-10054
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/709576/files/709576.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IceCube (frei) ; boosted decision trees (frei) ; high-energy neutrinos (frei) ; muon neutrinos (frei) ; statistical analysis (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Mehr als ein Jahrhundert nach ihrer Entdeckung sind die Quellen der kosmischen Strahlung weiterhin unbekannt. Die Entdeckung hochenergetischer astrophysikalischer Neutrinos durch die IceCube Kollaboration eröffnete ein neues Fenster zum Universum. Die Entdeckung basierte auf hochenergetischen Neutrinos die im instrumentierten Volumen des Detektors wechselwirkten. Ein komplementärer Ansatz besteht darin Myonneutrinoereignisse zu selektieren die über den schwachen geladene Strom auch außerhalb des Detektors wechselwirken können. Aufgrund ihrer großen Reichweite wird eine signifikant größere effektive Fläche erreicht, allerdings ist das Sichtfeld auf die nördliche Hemisphäre beschränkt. In dieser Arbeit wird die Selektion von Myonneutrinoereignissen mittels ''Boosted Decision Trees`` vorgestellt. Im Zeitraum von 2009 bis 2015 wurden insgesamt 350.000 Neutrinoereignisse gemessen. Der Großteil dieser Ereignisse sind atmosphärische Neutrinos und die Anzahl an atmosphärischen Myonen ist vernachlässigbar. Aufgrund der verbesserten Selektionseffizienz und der Hinzunahme mehrere Jahre an Daten konnte die Anzahl an Neutrinoereignissen im Vergleich zu vorherigen Ereignisselektionen um mehr als eine Größenordnung vergrößert werden. Der finale Datensatz wurde mit Hilfe eines zwei-dimensionalen Likelihood-Ansatzes in rekonstruierte Myonenergie und Zenitwinkel analysiert. Der gemessene astrophysikalische Neutrinofluss kann durch einen isotropen Fluss beschrieben werden der einem Potentzgesetz folgt. Die gemessene Flussnormierung ist $\left(0{,}90^{+0{,}30}_{-0{,}27}\right)\times 10^{-18}\,\mathrm{GeV^{-1}\,cm^{-2}\,sr^{-1}\,s^{-1}}$ bei $100\,\mathrm{TeV}$ und der Spektralindex ist $2{,}13 \pm 0{,}13$. Ein ausschließlich atmosphärischer Neutrinofluss kann mit einer Signifikanz von $5{,}6\,{\sigma}$ ausgeschlossen werden. Im Vergleich zu vorherigen Analysen des Flusses die sensitiver bei niedrigeren Energien sind, ist der gemessene Spektralindex hart. Eine mögliche Erklärung ist ein Bruch im astrophysikalischen Neutrinospektrum dessen Ursprung weiter unbekannt ist. Enthalten in den selektierten Neutrinoereignissen ist das bis dato höchstenergetischste Neutrinoereigniss. Die rekonstruierte Myonenergie ist $(4{,}5\pm1{,}2)\,\mathrm{PeV}$ und die Wahrscheinlichkeit ein atmospherisches Myonneutrinoereigniss mit dieser oder einer höheren Energie zu messen ist kleiner als $0{,}005\%$. Die rekonstruierte Ankunftsrichtung ist $\mathrm{Dec(J2000)}=(11{,}42\pm0{,}17)^\circ$ and $\mathrm{RA(J2000)}=(110{,}63_{-0{,}55}^{+0{,}46})^\circ$. Mit Hilfe von Monte-Carlo Simulationen wurden die deponierte Energie im Detektor als $(2{,}6\pm0{,}3)\,\mathrm{PeV}$ rekonsturiert und die Medianneutrinoenergie als $8{,}7\,\mathrm{PeV}$. Obwohl die Wechselwirkung eines Myonneutrinos die wahrscheinlichste Ursache für diese Ereignis ist ($88\%$), kann man Wechselwirkungen von Taoneutrinos ($11\%$) und Elektronneutrinos ($1\%$) nicht vernachlässigen. Es konnte keine Korrelation des Ereignisses mit hochenergetischen $\gamma$-Strahlungsquellen hergestellt werden. Ebenfalls Nachfolgemessungen mit HAWC, HESS, MAGIC and XMM-Newton haben keine Hinweise auf mögliche Quellen hervorgebracht. Zusätzlich zum höchstenergetischten Ereigniss wurden 28 weitere Ereignisse gemessen, deren Energien oberhalb von $200\,\mathrm{TeV}$ liegen. Auch hier konnte keine statistisch signifikante Korrelation mit hochenergetischen $\gamma$-Strahlungsquellen hergestellt werden.

More than a century after their discovery the origin of high-energy cosmic rays remains unknown. With the discovery of high-energy astrophysical neutrinos by the IceCube collaboration a new window into the universe has been opened. The discovery relies on high-energy neutrinos which interact within the instrumented volume of the detector. A complementary search strategy is the selection of charged-current muon neutrino events which can interact outside the instrumented volume. Due to the large muon range the effective area is significantly larger, but the field of view is restricted to the Northern Hemisphere. In this thesis the selection of muon neutrino events using ''Boosted Decision Trees`` is presented. In total more than 350,000 neutrino candidates have been selected using data from 2009 through 2015. The majority of these events are atmospheric neutrinos and the contribution of atmospheric muons is negligible. Due to an increased selection efficiency and using additional years of data, the statistics increase by more than an order of magnitude compared to previous event selections. The final dataset has been analyzed using two-dimensional likelihood approach in reconstructed muon energy and zenith. The measured astrophysical neutrino flux is compatible with an isotropic, unbroken power-law flux with a normalization of $(0.90^{+0.30}_{-0.27})\times 10^{-18}\,\mathrm{GeV^{-1}\,cm^{-2}\,sr^{-1}\,s^{-1}}$ at $100\,\mathrm{TeV}$ and a spectral index of $2.13 \pm 0.13$. A neutrino flux of only atmospheric origin can be rejected with a significance of $5.6\,{\sigma}$. Compared to previous IceCube measurements with lower energy thresholds the measured spectrum is considerably harder indicating a spectral break in the astrophysical neutrino spectrum of unknown origin. Among the selected events is the highest-energy neutrino observed to date. The event has a reconstructed muon energy of $(4.5\pm1.2)\,\mathrm{PeV}$ and its probability of being of atmospheric origin is below $0.005\%$. Its arrival direction has been reconstructed as $\mathrm{Dec(J2000)}=(11.42\pm0.17)^\circ$ and $\mathrm{RA(J2000)}=(110.63_{-0.55}^{+0.46})^\circ$. Using Monte Carlo simulations the deposited energy within the instrumented volume can be estimated as $(2.6\pm0.3)\,\mathrm{PeV}$ and the median neutrino energy as $8.7\,\mathrm{PeV}$. Even though a muon neutrino is the most likely origin ($88\%$), the probability of a tau ($11\%$) and an electron neutrino ($1\%$) are not negligible. No correlation with high-energy $\gamma$-ray sources has been found. Follow-up analyses with HAWC, HESS, MAGIC and XMM-Newton yield no indication for a source as well. In addition to the highest-energy event 28 events with muon energies above $200\,\mathrm{TeV}$ have been found. No statistical significant correlation with $\gamma$-ray sources could be established.

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